Quanto è forte un attuatore lineare mi serve?

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La forza di a attuatore lineare è la quantità di forza che può erogare. È tipicamente visto in termini di Newton (N) per unità metriche e libbre (lbs) per unità imperiali. Esistono due tipi di specifiche di forza che i produttori di attuatori lineari forniranno: dinamica e statica.

Forza dinamica (o carico dinamico) è la forza massima che l'attuatore può applicare per spostare un oggetto.

Forza statica (o carico statico) è il peso massimo che l'attuatore può sostenere quando non è in movimento.

Queste specifiche di forza sono generalmente fattori chiave per determinare quale attuatore lineare è necessario per il progetto. Se non sai quali altri fattori potresti prendere in considerazione quando selezioni un attuatore lineare, controlla il nostro post su questo Qui.  

Quando si tenta di spostare un oggetto con un attuatore lineare, sarà necessario determinare qual è la forza dinamica minima che può avere il proprio attuatore lineare. Questa forza dipenderà non solo dalla quantità di peso che stai tentando di spostare, ma anche dal numero di attuatori coinvolti e dalla geometria fisica del tuo progetto. Per determinare l'esatto requisito di forza in una qualsiasi applicazione, è necessario applicare la prima legge del moto di Newton. Questa legge afferma che un oggetto a riposo tende a rimanere a riposo a meno che non venga agito da una forza squilibrata. Per noi, questo significa che la forza del nostro attuatore lineare deve essere maggiore della somma di tutte le forze che agiscono contro la nostra direzione di movimento desiderata. Questa guida ti guiderà attraverso come calcolare le forze coinvolte utilizzando alcuni esempi di base.

Quick Aside: I diagrammi a corpo libero sono diagrammi semplificati di oggetti che vengono utilizzati per visualizzare le forze ad esso applicate. L'utilizzo di questi diagrammi è una buona pratica per visualizzare tutte le forze coinvolte e il loro orientamento.

Moto unidimensionale

Diagramma a corpo libero 1D Il caso più semplice di utilizzare un attuatore lineare per fornire il movimento è utilizzare un attuatore per spostare un oggetto lungo un asse. Come mostrato nel diagramma a corpo libero accanto a questo paragrafo, la forza applicata dall'attuatore lineare è etichettata come F e il peso dell'oggetto è etichettato come W. Per determinare la forza dinamica richiesta dall'attuatore lineare, è sufficiente sottrarre la somma delle forze nelle direzioni negative dalla somma delle forze nella direzione positiva, che deve essere maggiore di zero per dare come risultato il movimento \ n. Per questo esempio, diventa F - W> 0. Quindi devi risolvere per F, che diventa F> W.  Ciò significa che la forza dinamica richiesta dall'attuatore lineare deve essere maggiore del peso dell'oggetto.     

Nel caso in cui utilizzi più di un attuatore lineare, come nel corpo libero2 Esempio di attuatorediagramma mostrato qui, segui la stessa procedura di cui sopra. Per questo esempio, la somma delle forze diventa F + F - W> 0 o 2 * F - W> 0. Quindi risolvendo per F diventa F> ½ * W. Ciò significa che la forza applicata da un attuatore può essere inferiore al peso dell'oggetto, ma la forza totale di entrambi deve essere maggiore.

 

 

 

Attrito

I casi precedenti hanno ignorato l'attrito nei calcoli del bilanciamento delle forze, che può essere o meno il caso nella tua applicazione. La quantità di forza di attrito (f) è uguale al coefficiente di attrito (u) moltiplicato per una forza normale (N). Il coefficiente di attrito è tipicamente compreso tra 0 e 1 (sebbene possa essere maggiore di 1) e dipenderà da quali materiali stanno scivolando e dall'utilizzo o meno della lubrificazione.
Il coefficiente di attrito cambierà anche una volta che un oggetto è in movimento e sono spesso dati come valori statici e dinamici. Il valore statico sarà sempre maggiore del valore dinamico (a causa della prima legge di Newton) e poiché stiamo cercando di spostare un oggetto, ti consigliamo di utilizzare il valore statico del coefficiente di attrito. La forza normale è la forza risultante utilizzata per supportare un oggetto su un altro oggetto o superficie. Ad esempio, se ti trovi su un pavimento in casa, il tuo pavimento ti sosterrà applicando su di te una forza verso l'alto pari al tuo peso, questa è una forza normale. La forza normale agirà sempre perpendicolare alla forza di attrito e la forza di attrito agirà sempre contro la direzione di movimento desiderata.

In situazioni, come i casi precedenti, in cui l'oggetto che stai spostando non scorre su una superficie, l'attrito può essere ignorato. Sebbene tecnicamente, i componenti che supportano il tuo oggetto, siano essi supporti per il movimento lineare come guide di scorrimento o l'attuatore lineare stesso, avrà un attrito interno che dovrai superare per iniziare a muoverti, ma sarà relativamente piccolo.

Diagramma a corpo libero di un cassetto

Se stai spostando un oggetto lungo una superficie, l'attrito dovrà essere considerato nei calcoli della forza. Il diagramma a corpo libero sopra mostra un esempio di un cassetto spinto da un attuatore lineare. Ogni cassetto scorrevole avranno una notevole quantità di attrito poiché supportano un carico perpendicolare (W). Poiché ci sono due guide del cassetto, la forza normale (N) applicata da una delle guide del cassetto sarà uguale alla metà del carico (W). Sommando le forze e risolvendo per F in questo esempio si otterrà:

F> u * (0,5 * W) + u * (0,5 * W) = u * W

Pertanto, la forza richiesta dall'attuatore lineare deve essere maggiore della forza di attrito totale. La parte difficile in questi casi è determinare il coefficiente di attrito. Se sei in grado di determinare l'esatto coefficiente di attrito nella tua applicazione, puoi semplicemente usare la formula sopra per calcolare la tua forza dinamica minima. Se non puoi determinare il coefficiente di attrito, puoi presumere che sia uguale a 1. Questo sarà probabilmente maggiore del coefficiente di attrito effettivo, quindi è un assunto sicuro da utilizzare per determinare la quantità di forza richiesta dal tuo attuatore lineare .

Moto bidimensionale

Finora abbiamo esaminato solo lo spostamento di un oggetto lungo un asse, ma potrebbe essere necessario un movimento su due assi o ad angolo. In questi casi, puoi comunque utilizzare la somma delle forze per determinare la forza dinamica richiesta, ma dovremo considerare più assi e utilizzare un po 'di trigonometria. Nell'esempio seguente di spinta di un oggetto su una rampa, la direzione del movimento è ad angolo (theta). Per semplificare i nostri calcoli, puoi scegliere di avere un asse parallelo alla direzione del movimento e l'altro asse sarà quindi perpendicolare, come mostrato.

Diagramma a corpo libero per l'esempio di rampa

Ora che gli assi sono spostati, sarà necessario dividere il peso dell'oggetto in due componenti di forza utilizzando la trigonometria e la pendenza della rampa (theta). Una di queste forze agirà contro la nostra direzione di movimento e l'altra agirà perpendicolarmente alla superficie della rampa. La forza normale, utilizzata per determinare la forza di attrito, sarà uguale alla componente perpendicolare del peso dell'oggetto. Risolvendo la somma delle forze per determinare F si otterrà:

F> W * sin (theta) + u * N = W * sin (theta) + u * W * cos (theta)

Moto rotatorio

Sebbene gli attuatori lineari forniscano un movimento lineare, possono anche essere utilizzati per fornire la rotazione in applicazioni come l'apertura di un coperchio o di un portello. La forza dinamica richiesta per fornire la rotazione dovrà risultare in una coppia sbilanciata piuttosto che in una forza sbilanciata. Una coppia è una forza di rotazione che provoca la rotazione ed è uguale alla forza applicata moltiplicata per la distanza perpendicolare al punto di rotazione. Quindi, per provocare la rotazione, un attuatore lineare deve fornire una coppia maggiore della somma di tutte le coppie che lavorano contro il senso di rotazione desiderato.

Diagrammi a corpo libero di un esempio di tratteggio

La quantità di coppia applicata dall'attuatore lineare dipenderà da due fattori, la forza applicata e la distanza dal punto di rotazione. Negli esempi precedenti, la somma delle coppie è la stessa:

F * y * cos (alpha) - W * x * cos (alpha)> 0

La distanza dal punto di rotazione alla forza dell'attuatore lineare è y e la distanza dal punto di rotazione al centro di gravità del portello è x. Poiché il tratteggio è ad angolo (alfa), possiamo determinare la distanza perpendicolare a ciascuna forza moltiplicata per la distanza del coseno dell'angolo. Risolvendo la forza dinamica dell'attuatore lineare, F, si ottiene:

F> (W * x) / y

Nel caso a sinistra, la forza dinamica dell'attuatore lineare, F, può essere minore o uguale al peso del portello, W, perché agisce più lontano dal punto di rotazione (y> x). Mentre nel caso a destra, F dovrà essere maggiore di W perché F agisce più vicino al punto di rotazione, (y

Portello con attuatore inclinato

In alcune applicazioni, la forza applicata dall'attuatore lineare dovrà essere ad un angolo come nell'immagine sopra. Ciò rende i calcoli un po 'più complicati poiché la forza applicata dall'attuatore lineare dovrà essere suddivisa in componenti verticali e orizzontali. Il diagramma del corpo libero per l'immagine sopra è mostrato di seguito:

Tratteggio con forza applicata ad angolo

La somma delle coppie per questo esempio è:

((F * cos (beta)) * (L * sin (alpha))) + (F * sin (beta)) * (L * cos (alpha)) - W * (x * cos (alpha)> 0

Poiché la forza dell'attuatore lineare (F) viene applicata ad un angolo (beta), deve essere suddivisa in componente verticale (F * sin (beta)) e componente orizzontale (F * cos (beta)), come mostrato nell'esempio di rampa sopra. La componente verticale della forza provoca una coppia attorno alla cerniera poiché esiste una distanza orizzontale tra la forza e la cerniera; analogamente, anche la componente orizzontale della forza provoca una coppia attorno alla cerniera poiché vi è una distanza verticale tra la forza e la cerniera. È possibile determinare queste distanze in base alla lunghezza del tratteggio (L) e all'angolo del tratteggio (alfa), come mostrato nell'esempio di tratteggio precedente. Per determinare la forza dinamica richiesta, è necessario risolvere l'equazione precedente per F. Sfortunatamente, la forza dell'attuatore lineare (F) sarà una funzione dipendente dall'angolo del portello (alfa). Poiché questo angolo cambia all'apertura del portello, cambierà anche la forza minima richiesta dall'attuatore lineare. Ciò significa che dovrai risolvere l'equazione di cui sopra su vari angoli per trovare la forza minima più alta richiesta da utilizzare per la specifica della forza dinamica. Questo può essere ancora più difficile se l'angolo a cui viene applicata la forza (beta) cambia anche quando il portello si apre, il che significa che sarà anche una funzione dell'angolo di tratteggio (alfa). Se conosci bene la tua matematica, puoi determinare l'esatto requisito di forza dinamica di cui hai bisogno dal tuo attuatore lineare. In caso contrario, puoi utilizzare il nostro pratico Calcolatore dell'attuatore lineare, che è progettato proprio per queste situazioni difficili.

Situazioni statiche

In una situazione statica, la somma delle forze e la somma delle coppie sarà uguale a zero poiché non vi è alcuna forza sbilanciata o coppia che causa il movimento. Se vuoi assicurarti che il tuo progetto sia stabile per un dato carico o assicurarti che il tuo attuatore lineare regga un dato carico, puoi comunque usare le tecniche di cui sopra per assicurarti che tutte le forze e le coppie siano bilanciate. Durante il controllo di situazioni statiche, utilizzerai la specifica della forza statica per il tuo attuatore lineare invece della specifica della forza dinamica.

Ora che sai come determinare quanto deve essere forte il tuo attuatore lineare, puoi trovare quello giusto per le tue esigenze nel nostro selezione presso Firgelli Automations.

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